Водородна електромобилност

Транспортът създава над една четвърт от емисиите на парникови газовe, при това се забелязва стабилна тенденция за нарастването им, което налага революционно преструктуриране на сектора. През 2017 г. те са били с 20% по-високи от тези през 1990 г. Нефтените продукти осигуряват 95% от енергията, консумирана в сухопътния транспорт. За постигането на бърз климатичен неутралитет е необходимо намаляване на емисиите с 90%, поради което мащабното внедряване на водорода с бързи темпове е от ключово значение за ЕС. Основни приоритети са намаляването на транспортните емисии в градовете, пристанищата и летищата.

Делът от възобновяемата енергия в транспортната система на ЕС през 2016 г. е 7,1%. Най-широко използваната форма на възобновяема енергия е биодизелът – 11 Mtoe, следван от биоетанола с 2,6 Mtoe. След 2014 г. потреблението на биогорива минава под пиковите нива, регистрирани през 2012 г. Електроенергията от възобновяеми източници в транспорта все още представлява само 1,9 Mtoe (данни за 2016 г.), но делът ù се увеличава предимно в железопътния транспорт (само около 2% в автомобилния транспорт). По данни на ЕЕА (Европейска икономическа зона) продажбите на електрически превозни средства на батерии и хибридни електрически превозни средства са се увеличили с 42% през 2017 г. спрямо 2016 г. Въпреки това делът им е около 1,5% от общия брой продажби. Най-голям брой електрически превозни средства (ЕПС) са регистрирани във Франция, Германия, Норвегия и Великобритания. В пътния транспорт най-масово навлизат електрическите автомобили и автобуси (предимно за градски транспорт). През 2018 г. по данни на Обединения изследователски център (JRC) към ЕК броят на  ЕПС на батерии е над 4 млн. Очаква се до 2040 г. той да нарасне на 900 млн., което ще изисква производство на литиеви батерии осигуряващи 4000 GWh енергия. В момента 3% от глобалната продукция принадлежи на Европа. Плановете са този дял да нарасне над 25%.

Принцип на действие на водородния електромобил

Когато говорим за водородни автомобили, трябва да имаме предвид, че става въпрос за водородни електромобили. Те работят на водород, който, заедно с кислорода от въздуха, захранва горивната клетка. На практика електромобилът работи с батерия от единични горивни клетки, т.н. стак, но е възприето да се използва терминът „горивна клетка“. Единичният елемент на горивна клетка  е с дебелина около 300 микрона.

Горивните клетки произвеждат електрически ток чрез електрохимична реакция, при която продуктът на реакцията е чиста дестилирана вода. Произведената електроенергия задвижва електродвигателя. Тъй като горивната клетка работи при постоянен режим, всички допълнителни натоварвания (при стартиране, изкачване по наклони, големи ускорения и т.н.), се поемат от батерията, която се захранва от горивната клетка при лек режим на работа (спускане надолу) и от рекуперация на енергия при спиране.

Основните предимства на водородните електрически превозни средства са:

• Възможност да работят изцяло с нулеви емисии (при работа със зелен водород);
• Пробег с едно зареждане подобен на този при двигателя в вътрешно горене (за леки автомобили – 600÷700 км.);
• Време на зареждане – 3 минути за лек автомобил; 10 минути за автобус;
• Безшумни.

Както се вижда, водородните електромобили комбинират позитивите на батерийните електрически превозни средства и тези на моторните превозни средства с двигател с вътрешно горене.

Недостатъците им са:

• все още висока цена;
• липса на зарядна инфраструктура;
• липса на масово производство;
• все още слаба нормативна база (особено в някои държави като България).

Обнадеждаващото е, че това са преодолими бариери, за които в момента се взимат общоевропейски мерки.

За водородна електромобилност се използват т.н. ПЕМ горивни клетки (горивни клетки с полимерна мембрана). Те работят при ниски температури (80º С) и използват платинови катализатори за протичане на окислително-редукционните процеси, които генерират електрическия ток за задвижване на електродвигателя. Вече има много успешни разработки, които заменят платиновите катализатори с неплатинови, което ще доведе до намаляване цената на ПЕМ горивните клетки.

Водородът в транспортния сектор

Опасен ли е водородът като енергиен носител на борда на електрическото превозно средство? Това е един въпрос, по който трябва много да се говори. Водородът не е по-опасен от конвенционалните горива. Напротив, в много отношения той е по-безопасен. Разбира се, както с всяко запалимо вещество, е необходимо да се спазват определени правила.

За жалост думата „водород“ се свързва с „водородна бомба“, която не е водородна, а тритиева. Тритият е изотоп на водорода. Ядрото му съдържа един протон и два неутрона. Той може да се синтезира само в ядрен реактор.

Водородът е най-лекият и най-разпространеният елемент във вселената – 98% от елементната маса на познатата Вселената е водород. Звездите са изградени предимно от йонизиран водород. На земята водородът е третият най-разпространен елемент. Среща се предимно като вода и въглеводороди.

Водородът има много характеристики, които се различават значително от тези на конвенционалните горива и които трябва да бъдат отчетени при неговата употреба:

• Бърза дифузия: Водородът е 14 пъти по-лек от въздуха и лесно дифундира. За разлика от по-тежките газообразни горива, ако има теч в отворено или добре проветриво помещение, неговата бърза дифузия и разсейване намаляват възможността за образуване на запалима смес в близост до теча. При подходящ дизайн на зоната на неговото потребление, това негово свойство може да се използва като надеждно средство за осигуряване на експлоатационна безопасност.
• Диапазон на запалимост: Водородът образува експлозивни смеси с въздух в широк диапазон: от 4 об/об % ниска граница на експлозивност (LEL) до 75 об/об % горна граница на експлозивност (UEL), което е негов недостатък в сравнение със сгъстения природен газ и втечнен нефтен газ. Въпреки това, бързото разсейване на водорода намалява силно вероятността за образуване на запалима смес.
• Бързо горящ пламък: максималната скорост на изгаряне на водородно-въздушната смес е около 8 пъти по-голяма от тази за смеси на сгъстен природен газ и втечнен нефтен газ с въздух, поради което водородните пожари пренасят по-малко топлина в околната среда, отколкото други газообразни горива, което намалява риска от създаване на вторични пожари в съседно разположени материали.
• Невидим пламък: това затруднява откриването на горящ водород. Въпреки това, ниското излъчване намалява радиационния топлинен пренос върху обекти в близост до пламъка, което понижава риска от вторично запалване и пожари. Човешкото физическо възприятие за тази топлина не се появява, докато не се осъществи пряк контакт с пламъка.
• Възможност за детонация: смеси от водород/въздух имат голяма склонност да се взривяват. Въпреки това, поради бързото разсейване на водорода, това би могло да се случи в затворено пространство.

Водородни автомобили

Сред приоритетите в развитието на водородните технологии е транспортният сектор. Чрез използването на водород, произведен само от възобновяеми енергийни източници, един електрически  автобус  на водород би спестил над 1000 тона CO₂ за своя живот от 12 години в сравнение с конвенционален дизелов автобус. ЕС въведе първите регулаторни стандарти с Директивите за качеството на атмосферния въздух (2008 г.) и Насърчаване на чисти и енергийно ефективни превозни средства за автомобилен транспорт (2009 г.). Много европейски градове и региони започнаха да инициират промяна в своите системи за обществен транспорт, например с Европейската декларация за изменение на климата от 2015 г. и Декларацията за чисти автобуси „C40 Cities“, подписана от 96 държави в света.

Водородният електромобил запазва всички удобства на конвенционалния автомобил – 5 минутно зареждане, 600 – 700 км пробег, към които се добавят безшумен двигател и нулеви емисии. Първият пазарен продукт бе произведен от Хюндай през 2013 г. През 2018 г. на пазара излезе и втората генерация – Hyundai Nexo, който има пробег 800 км и автономни функции.

Втората пазарна марка, която се появи през 2016 г., е Тойота Мирай („мирай 未来“ на японски означава „бъдеще“). От нея са произведени 10 250 бройки. От тях 6 200 са продадени в САЩ, 3 500 – в Япония и 640 – в Европа. През 2020 г. излезе и втората генерация. Интересно е да се отбележи, че през 2016 г. пет автомобилни компании заявиха пазарно производство на водородни електромобили: Хюндай, Тойота, Мерцедес, Даймлер, Хонда. Три от тях, обаче, се оттеглиха. Европейските компании  се насочиха към друга много перспективна ниша с огромен потенциал – водородни товарни автомобили. Може би една от причините за намаления брой фирми ангажирани с производство на електрически водородни автомобили е алтернативата за градско шофиране с електрически батерийни автомобили, които са икономически по-изгодни за кратки (градски) условия. Предимствата на водородните електромобили стават водещи за големи дистанции при наличие на зарядна инфраструктура. За момента най-масово закупуване на такива автомобили се наблюдава в Калифорния.

Аналитичнен доклад „Водородната електромобилност в България – реализуемата мечта“

проф. Дария Владикова, гл. ас. Благой Бурдин и доц. Гергана Райкова от Института по електрохимия и енергийни системи „Акад. Евгени Будевски“ (Българска академия на науките)